Nghiên cứu ứng dụng của SVC trong ổn định hệ thống điện

FACTS Flexible AC Transmission System – Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt TCR Thyristor Controlled Reactor – Kháng điện điều khiển bằng thyristorTSR Thyristor Switched Reacto

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 10

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 10

1.1 Khái niệm chung về ổn định điện áp 10

1.2 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp 12

1.3 Hậu quả mất ổn định điện áp 13

1.4 Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép 14

1.5 Các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp 15

1.5.1 Các biện pháp vận hành 15

1.5.2 Các biện pháp thiết kế 16

1.6 Kết luận 19

CHƯƠNG 2 20

THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC 20

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR và TSR 20

2.1.1 Cấu tạo 20

2.1.2.Nguyên lý hoạt động 21

2.1.3 Các hiệu ứng phụ 24

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC 24

2.2.1 Cấu tạo 24

2.2.2 Đặc tính điều chỉnh 25

2.3 Thiết bị bù ngang SVC 27

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 27

2.3.2 Các thành phần điều khiển của SVC 29

2.3.3 Đặc tính làm việc của SVC 33

2.3.4 Đặc tính điều chỉnh của SVC 34

2.3.5 Mô hình SVC 39

2.4 Tổng kết 41

CHƯƠNG 3 42

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HTĐ 42

3.1 Mô hình lưới điện trong tính toán phân tích chế độ của HTĐ 42

3.1.1 Nhánh chuẩn và sơ đồ tính toán lưới điện 42

3.1.2 Mô hình đường dây trên không và cáp 43

3.1.3 Mô hình các máy biến áp điện lực 46

3.1.4 Mô hình kháng điện và tụ điện 47

3.1.5 Mô hình phụ tải 47

3.1.6 Mô hình phụ tải cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải 49

3.1.7 Mô hình máy phát điện 50

3.2 Hệ phương trình tính toán trào lưu công suất 50

3.3 Phương pháp Newton-Raphson 53

3.3.1 Cơ sở toán học 53

3.3.2 Hệ phương trình phi tuyến 54

3.3.3 Tính toán trào lưu công suất 55

CHƯƠNG 4 64

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 64

4.1 Hệ thống đơn giản 64

4.1.1 Điện áp tại nút 2 64

4.1.2 Chỉ số đánh giá ổn định điện áp 67

4.2 Hệ thống phức tạp bất kỳ 70

CHƯƠNG 5 73

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 73

5.1 Sơ đồ tính toán IEEE 14 73

5.2 Chương trình tính toán 75

5.3 Kết quả mô phỏng 77

5.3.1 Chế độ phụ tải cả hệ thống thay đổi khi không có SVC 77

5.3.2 Chế độ phụ tải cả hệ thống thay đổi khi có SVC 81

5.3.3 Chế độ phụ tải nút 9 thay đổi khi không có SVC 87

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 92

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào khác

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Minh

FACTS Flexible AC Transmission System – Hệ thống truyền tải điện xoay

chiều linh hoạt

TCR Thyristor Controlled Reactor – Kháng điện điều khiển bằng thyristorTSR Thyristor Switched Reactor – Kháng điện đóng mở bằng thyristor TSC Thyristor Switched Capacitor – Tụ điện đóng mở bằng thyistor STATCOM STATic synchronous Compensator - Bộ bù đồng bộ tĩnh

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor – Tụ bù dọc điều khiển bằng

thyristor UPFC Unified Power Flow Controller – Thiết bị điều khiển dòng công suất

hợp nhất

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Kết quả tính toán điện áp nút 2 69Bảng 5.1 Số liệu nút hệ thống IEEE14 74Bảng 5.2 Số liệu nhánh hệ thống IEEE14 74

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian 12

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC 20

Hình 2.2: a Cấu tạo của TCR, b Điều khiển góc đánh lửa, c Dạng sóng vận hành 21

Hình 2.3: Quan hệ dòng điện thành phần cơ bản qua TCR và góc mở α .22

Hình 2.4: Đặc tính V-I của TCR 23

Hình 2.5: Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành .24

Hình 2.6: Quá trình đóng cắt không có quá trình quá độ của TSC 25

Hình 2.7: Đặc tính V-I của TSC 26

Hình 2.8: Cấu tạo SVC và đặc tính công suất theo yêu cầu so với công suất ra .28

Hình 2.9: Đặc tính V-I của SVC .28

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC 29

Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC .29

Hình 2.12: Mô hình 1 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC 31

Hình 2.13: Mô hình 2 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC 32

Hình 2.14: Đặc tính làm việc của SVC 33

Hình 2.15 Đặc tính làm việc mềm của SVC 34

Hình 2.16: Sóng của điện áp đầu ra của mạch thuần trở có thyristor 35

Hình 2.17: Ảnh hưởng của góc cắt α đến dòng điện của thyristor 36

Hình 2.18: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR theo góc cắt α 38

Hình 2.19 Đặc tính điều chỉnh của SVC và đặc tính phát CSPK của máy phát 39

Hình 2.20: Đặc tính của nguồn và phụ tải công suất phản kháng theo mô hình 2 40

Hình 2.21: Sơ đồ 2 mô hình tương đương của SVC .41

Hình 3.1: Nhánh chuẩn nối giữa nút i và nút j 42

Hình 3.2: Minh họa sơ đồ nhánh chuẩn .43

Hình 3.3: Sơ đồ thay thế đường dây điện áp U > 35kV 43

Hình 3.4: Sơ đồ thay thế đường dây điện áp 66kV ≤ U ≤ 330kV và đường dây cáp 44

Hình 3.5: Sơ đồ mô hình chuỗi các đường dây 44

Hình 3.6: Sơ đồ thay thế theo thông số mạng 4 cực .45

Hình 3.7: Sơ đồ thay thế MBA 2 cuộn dây 46

Hình 3.8: Sơ đồ thay thế MBA 3 cuộn dây 47

Hình 3.9: Ảnh hưởng điều chỉnh tự động của máy biến áp .49

Hình 3.10: Công suất tại nút i bất kỳ .51

Hình 3.11: Minh họa phương pháp Newton-Raphson .54

Hình 3.12: Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson 61

Hình 3.13: Sơ đồ thuật toán kiểm tra nút PV 62

Hình 4.1: Hệ thống đơn giản 64

Hình 4.2: Đồ thị PV của nút 2 66

Hình 4.3: Hệ thống đơn giản 68

Hình 4.4: Giá trị iS khi thay đổi công suất tại nút 2 .69

Hình 4.5: Sơ đồ khối thuật toán xác định iS của hệ thống 72

Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống IEEE14 73

Hình 5.2: Giao diện nhập số liệu 76

Hình 5.3: Giao diện chính của chương trình 76

Hình 5.4: Đồ thị PV các nút giữ điện áp 77

Hình 5.5: Đồ thị PV các nút phụ tải thông thường .79

Hình 5.6: Chỉ số iS của các nút 79

Hình 5.7: Chỉ số iS của hệ thống 81

Hình 5.8: Đồ thị PV các nút giữ điện áp khi có SVC tại nút 14 .83

Hình 5.9: Đồ thị PV các nút phụ tải thông thường khi có SVC tại nút 14 .85

Hình 5.10: Chỉ số iS của các nút khi có SVC tại nút 14 .86

Hình 5.11: Chỉ số iS của hệ thống khi có SVC tại nút 14 87

Hình 5.12: Chỉ số iS của hệ thống .88

Hình 5.13: Điện áp và chỉ số iS của các nút .88

ty điện buộc phải vận hành hệ thống hiện tại gần với giới hạn ổn định

Khi các thông số của hệ thống thay đổi, đặc biệt là phụ tải trong hệ thống, giá trị điện áp có thể giảm nhẹ Kỹ sư vận hành thường điều khiển điện áp tại một

số thanh cái bằng cách tăng công suất phản kháng (CSPK) phát, đóng cắt bộ tụ điện, thay đổi đầu phân áp…Khi những thiết bị này đạt giới hạn điều chỉnh thì người vận hành không thể điều khiển điện áp được nữa Hơn nữa, khi công suất phụ tải tăng đến một giá trị nào đó thì có thể xảy ra mất ổn định điện áp và gây sụp đổ điện áp (SĐĐA) Hiện tượng này đặc trưng bởi việc giảm điện áp đột ngột và nhanh tại một

số hoặc tất cả các thanh cái trong hệ thống

Nguyên nhân chính gây ra SĐĐA là do hệ thống không đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ CSPK SĐĐA có thể là toàn bộ hoặc một phần SĐĐA cũng có thể xảy ra với một khu vực trong hệ thống có phụ tải lớn nhưng không có khả năng bảo đảm điện áp trong phạm vi cho phép Giới hạn đầu phân áp và các động cơ cảm ứng công suất lớn cũng là nguyên nhân chính gây mất ổn định điện áp

Nhiều nghiên cứu về mất ổn định điện áp đã được thực hiện để đề xuất các biện pháp bảo vệ HTĐ chống lại SĐĐA như: sa thải phụ tải, dự trữ quay, điều khiển đầu phân áp MBA… Trong các biện pháp đề suất thì sử dụng Static Var compensator (SVC) là một trong các biện pháp đem lại hiệu quả rõ rệt Bản luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng của SVC để nâng cao ổn định điện áp của hệ thống điện

Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu về ổn định điện áp

- Nghiên cứu cấu tạo của SVC, nguyên lý hoạt động và điều khiển SVC

- Nghiên cứu phương pháp tính toán phân tính chế độ hệ thống điện

- Đề xuất phương pháp đánh giá ổn định điện áp bằng chỉ số iS

- Đánh giá hiệu quả của SVC với sơ đồ chuẩn IEEE 14 nút

Ý nghĩa khoa học của luận văn

Với những nội dung nghiên cứu nêu trên cùng đề xuất phương pháp đánh giá

ổn định điện áp Luận văn có ý nghĩa khoa học đáng kể trong đánh giá hiệu quả ổn định điện áp hệ thống điện của SVC

Nội dung và bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được trình bày trong 5 chương:

- Chương 1 Tổng quan về ổn định điện áp

- Chương 2 Thiết bị bù tĩnh SVC

- Chương 3 Tính toán phân tích chế độ xác lập của HTĐ

- Chương 4 Phương pháp đánh giá ổn định điện áp

- Chương 5 Kết quả mô phỏng

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Bộ môn

Hệ thống điện trường ĐH Bách Khoa Hà Nội trong suốt thời gian thực hiện luận văn Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự chỉ dẫn tận tình của thầy hướng dẫn

TS Trương Ngọc Minh

Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô để luận văn thêm hoàn thiện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Ổn định điện áp (OĐĐA) là vấn đề nghiên cứu đang được quan tâm trong các thập kỷ gần đây Nhiều công trình nghiên cứu đã trình bày về đặc điểm và hậu quả nghiêm trọng của sự cố mất OĐĐA

Các hệ thống điện lớn (HTĐ) ngày nay thường phải vận hành ở những chế

độ nặng nề, nên vấn đề đảm bảo OĐĐA và các biện pháp kỹ thuật cải thiện điện

áp và điều chỉnh điện áp là rất cần thiết Nếu không có các tác động điều khiển hợp lý thì khi phụ tải tăng liên tục, hệ thống có thể mất ổn định

1.1 Khái niệm chung về ổn định điện áp

Ổn định của HTĐ là khả năng của một HTĐ duy trì được trạng thái cân

bằng ở chế độ xác lập và có thể thiết lập lại trạng thái cân bằng mới khi có kích động nào đó đến hệ thống

Ổn định điện áp của HTĐ là khả năng của một HTĐ khôi phục lại điện áp

ban đầu hay lân cận ban đầu khi chịu các kích động nhỏ tại phụ tải OĐĐA về bản chất là một trạng thái động và bị tác động bởi việc kiểm soát điện áp và các đặc tính của tải dưới dạng biến thiên

Ổn định điện áp tĩnh (static voltage stability) là khả năng của HTĐ có thể

giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các kích động nhỏ đến hệ thống như sự biến thiên liên tục công suất phụ tải Các kích động nhỏ này xảy ra liên tục nên ổn định tĩnh gắn liền với chế độ xác lập của HTĐ Chỉ tiêu của ổn định tĩnh là sau khi có kích động nhỏ tới hệ thống thì điện

áp tại mọi thanh cái nhận điện cùng tăng hoặc cùng giảm tương ứng với công suất phản kháng (CSPK) cấp vào thanh cái đó Cụ thể hơn, hệ thống có ổn định tĩnh

Ổn định động (dynamic voltage stability) là khả năng của HTĐ có thể giữ

điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các kích động lớn đến hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công suất lớn Chỉ tiêu của ổn định động là sau khi có kích động lớn tới hệ thống là điện áp tại tất cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức.[1],[2]

Giả sử một HTĐ đang ở trạng thái ổn định Khi có thay đổi nào đó trong HTĐ thì hệ thống sẽ xuất hiện quá trình dao động Nếu dao động lớn thì HTĐ có thể rời khỏi trạng thái cân bằng lúc trước và xuất hiện quá trình quá độ để thiết lập lại trạng thái ổn định mới với điểm vận hành ổn định mới Nếu sự thay đổi là liên tục (ví dụ như phụ tải tăng dần) thì quá trình thiết lập phải xác định được điểm vận hành ổn định mới vì điểm này luôn thay đổi Đây chính là mục tiêu mong muốn khi vận hành HTĐ Tuy nhiên, HTĐ có thể mất ổn định khi sự thay đổi trong hệ thống dẫn đến không có điểm vận hành ổn định nữa Vì không tồn tại điểm vận hành ổn định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp Quá trình này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó là giảm nhanh

do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống Điều này dẫn đến sự sụt giảm điện áp liên tục và HTĐ bị tan rã

Quá trình mất OĐĐA được chia thành 3 giai đoạn diễn ra từ vài giây cho tới vài phút như sau:

1 Các quá trình quá độ điện cơ (ví dụ như các máy phát điện, các bộ điều chỉnh, các động cơ cảm ứng và các thiết bị điện tử công suất – như SVC, HVDC) trong vài giây;

2 Các thiết bị đóng cắt như các đầu phân áp của các máy biến áp (MBA) điều áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong vài chục giây;

3 Quá trình khôi phục phụ tải diễn ra trong vài phút

Khi phân tích OĐĐA, giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá độ, giai đoạn (2) và (3) là giai đoạn dài hạn Hình 1.1 mô tả hiện tượng OĐĐA theo các giai đoạn vừa đề cập ở trên

Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian

Mất OĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải (HTĐ phải vận hành ở gần điểm giới hạn tải), hoặc HTĐ có sự cố (ví dụ như sự cố mất đường dây), hoặc HTĐ thiếu hụt CSPK Hiện tượng này liên quan tới nhiều phần tử trong hệ thống

và thông số của các phần tử đó Dễ nhận thấy, tuy hiện tượng này thường liên quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng đến cả hệ thống

Như đã nói ở trên, SĐĐA được phân loại theo giai đoạn quá độ hoặc trong giai đoạn dài hạn Tuy nhiên, SĐĐA trong giai đoạn dài hạn có thể bao gồm các hậu quả từ giai đoan quá độ; ví dụ SĐ ĐA diễn ra chậm trong vài phút có thể kết thúc nếu có sự SĐĐA nhanh xảy ra trong giai đoạn quá độ.[6]

1.2 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp

Bản chất vật lý của hiện tượng SĐĐA chính là yêu cầu CSPK của phụ tải không được đáp ứng đủ do giới hạn về phát và truyền tải CSPK Các giới hạn về phát CSPK bao gồm giới hạn của máy phát, giới hạn công suất của SVC và sự sụt giảm CSPK của các tụ ở điện áp thấp Các giới hạn về truyền tải CSPK là tổn thất CSPK lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố đường dây đẫn đến giảm công suất truyền tải

Các nguyên nhân gây mất OĐĐA bao gồm:

Tự khôi phục phụ tải, AGC, đầu phân

áp, các bộ giới hạn kích từ…

Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC,

HVDC, động cơ cảm ứng…

Các thay đổi chậm - thời gian dài Khôi phục tải

Các thay đổi nhanh - thời gian ngắn

ƒ Điện áp tại nguồn phát quá thấp;

ƒ Khoảng cách giữa các nhà máy điện và phụ tải quá xa;

ƒ Dung lượng bù CSPK không đủ;

ƒ Phối hợp kém giữa các thiết bị bảo vệ

1.3 Hậu quả mất ổn định điện áp

Mất OĐĐA gây tác động trực tiếp đến các phụ tải Với các nhà máy công nghiệp, mất ổn định điện áp ảnh hưởng đến các động cơ, máy móc và chất lượng sản xuất Tuổi thọ của các thiết bị và các khâu an toàn trong công nghiệp cũng không đảm bảo Mất OĐĐA còn gây ảnh hưởng to lớn tới đời sống xã hội, các vấn đề về sinh hoạt, giao thông không đảm bảo, làm giảm tuổi thọ các thiết bị điện sinh hoạt

Sụp đổ điện áp (SĐĐA) là trường hợp sự cố nặng nề trong HTĐ SĐĐA

thường xảy ra khi hệ thống chịu các kích động lớn như mất máy phát, mất đường dây công suất lớn… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới mức cho phép rất nhanh Các biện pháp giữ OĐĐA đã đạt đến giới hạn hoặc không đủ linh hoạt dẫn đến điện áp các nút càng giảm thấp theo chuỗi liên tiếp trong hệ thống trong thời gian rất ngắn Hậu quả của SĐĐA là phụ tải bị sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ thống bị tan rã Dưới đây là một số sự cố SĐĐA đã xảy ra trên thế giới:

Sự cố ở Nam Florida, Mỹ ngày 17/05/1985: do không dự báo chính xác

yêu cầu công suất của phụ tải, các biện pháp ngăn chặn mất OĐĐA không hiệu quả nên các máy cắt đã cắt 3 đường dây 500 kV khỏi hệ thống làm điện áp trong

hệ thống sụt giảm mạnh, công suất tác dụng cấp cho phụ tải thiếu Các rơle sa thải phụ tải tần số thấp không làm việc do điện áp quá thấp SĐĐA xảy ra khiến một khu vực phụ tải rộng lớn khoảng 4300 MW bị mất điện

Sự cố ở Thụy Điển ngày 27/12/1983: sự cố một máy cắt khiến trạm biến áp

và 2 đường dây 400 kV từ trạm này bị cắt khỏi hệ thống Khoảng 8 giây sau một đường dây 220 kV làm việc quá tải tiếp tục bị cắt ra Trong khi đó, các máy biến

áp (MBA) điều áp dưới tải liên tục chuyển nấc để phục hồi điện áp tải làm cho điện áp trên lưới truyền tải giảm mạnh hơn, dòng điện tăng cao trên đường dây

chính cấp điện từ phía Bắc tới phía Nam nơi có sự cố Gần một phút sau, một đường dây 400 kV khác quá tải và bị cắt khỏi hệ thống Cả tần số và điện áp của

hệ thống bị suy giảm theo chuỗi Các biện pháp sa thải phụ tải dưới tần số và điện

áp không giúp hệ thống tránh khỏi tan rã Ước tính phụ tải rộng lớn phía Nam Thụy Điển bị mất điện lên tới 11400 MW

Sự cố tại Tokyo, Nhật Bản ngày 23/07/1987: khí hậu quá nóng dẫn tới phụ

tải tăng bất thường với cường độ 400MW/phút Điện áp trên đường dây 500 kV giảm chỉ còn khoảng 460 kV mặc dù toàn bộ các tụ bù dọc đường dây đã được đóng vào hệ thống Vài phút sau, điện áp của đường dây 500 kV chỉ còn 370 kV

và SĐĐA bắt đầu xảy ra Khu vực phụ tải bị mất điện ước tính khoảng 8170 MW

Sự cố tại Pháp, 19/12/1978: tại thời điểm đó Pháp đang nhận điện từ HTĐ

nước ngoài cấp vào Nhu cầu phụ tải tăng nhanh đột ngột gấp 1,5 lần thường lệ Sau vài phút, điện áp giảm nhanh Các máy biến áp điều áp dưới tải ở lưới cao áp

bị khóa lại Điện áp trên đường dây 400 kV phía Tây nước này nằm trong khoảng

342 – 374 kV Sau khi một đường dây chính 400kV quá tải và bị cắt ra khỏi hệ thống thì SĐĐA diễn ra Phải sau vài giờ đồng hồ toàn bộ hệ thống mới được khôi phục Ước tính phụ tải bị mất điện lên tới 29 GW Tổn thất về mặt kinh tế là rất lớn

Như vậy, SĐĐA là một vấn đề thực tế và hậu quả của nó là rất lớn mà nguyên nhân của các sự cố là vì rất nhiều lý do

1.4 Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép

Một vấn đề liên quan tới OĐĐA là điện áp cho phép Điện áp cho phép là một giá trị nằm trong khoảng lân cận giá trị định mức Ví dụ điện áp hệ thống truyền tải thường chỉ được phép thay đổi trong phạm vi 5% điện áp định mức Do

đó, đảm bảo điện áp trong phạm vi cho phép khi có thay đổi trong hệ thống là rất quan trọng

Điện áp được quyết định bởi sự cân bằng giữa CSPK yêu cầu và CSPK phát Do có tổn thất trên đường dây nên việc truyền tải một lượng lớn CSPK trên đường đây dài thường không hiệu quả Để khắc phục vấn đề này thì phần lớn

CSPK phụ tải yêu cầu sẽ được cung cấp ngay tại đó Bên cạnh đó, các máy phát điện đều có giới hạn phát CSPK nên đây cũng là nguyên nhân ảnh hưởng tới điện

áp trong hệ thống cũng như hiện tượng SĐĐA

Các thiết bị thực hiện điều chỉnh điện áp bao gồm:

ƒ Các thiết bị bù tĩnh và có thể đóng/cắt;

ƒ Các thiết bị bù được điều khiển bằng thyristor;

ƒ Các thiết MBA điều áp dưới tải;

1.5 Các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp

1.5.1 Các biện pháp vận hành

Giới hạn ổn định: Hệ thống nên vận hành với một kế hoạch sử dụng các

nguồn CSPK phù hợp Nếu sự cố SĐĐA không thể ngăn chặn được bằng các nguồn CSPK và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện có trong hệ thống, thì công suất truyền tải phải được giới hạn và các máy phát dự phòng phải được khởi động

Dự trữ quay: Dự trữ CSPK phải được đảm bảo bởi các máy phát đang vận

hành để duy trì điện áp trong phạm vi cho phép Cần chú ý rằng, công suất dự trữ quay phải được phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp

Người vận hành: phải nắm vững các hiện tượng liên quan đến OĐĐA và

kịp thời có các thao tác hợp lý như điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải Các phương thức vận hành ngăn ngừa hiện tượng SĐĐA phải được thiết lập ngay

1.5.2 Các biện pháp thiết kế

Điều khiển điện áp máy phát: Hiệu quả tác động của bộ tự động điều

chỉnh điện áp máy phát là điện áp phía cao của MBA tăng áp sẽ được điều chỉnh Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo OĐĐA

Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển: Một trong các nguyên nhân

dẫn đến SĐĐA là thiếu sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ, điều khiển Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ trong các tình

huống khác nhau của hệ thống là rất cần thiết

Điều khiển đầu phân áp của MBA: Người ta có thể thay đổi đầu phân áp

của MBA để giảm nguy cơ SĐĐA Tuy nhiên, nếu không có ảnh hưởng tích cực tại nơi thay đổi đầu phân áp của MBA thì biện pháp này phải không được dùng nữa khi điện áp phía nguồn giảm Đầu phân áp chỉ được tiếp tục thay đổi khi điện

áp phía nguồn hồi phục

Sa thải phụ tải: Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến

hành sa thải phụ tải Đây là biện pháp rẻ tiền để ngăn chặn hiện tượng SĐĐA lan rộng Điều này đúng nếu xác suất các điều kiện và các tình huống khẩn cấp trong

hệ thống gây mất OĐĐA thấp Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những hậu quả nghiêm trọng Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yếu tố cần chú ý khi sử dụng biện pháp này Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các

sự cố, sụt giảm điện áp thoáng qua, và các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện tượng SĐĐA Tuy nhiên, phương pháp này không nên sử dụng tùy tiện

Sử dụng các thiết bị FACTS: Các yêu cầu về cách điện, về nhiệt của các

khí cụ điện, về ổn định của HTĐ sẽ quy định giới hạn công suất tối đa truyền tải trên các đường dây Việc xây dựng thêm các đường dây truyền tải mới là biện pháp hữu hiệu tăng công suất truyền tải cho HTĐ nhưng khó thực hiện do chi phí đầu tư xây dựng, thời gian thi công tuyến đường dây bị hạn chế

Mặt khác, khi các thông số của HTĐ như công suất phụ tải thay đổi thì điện áp cũng có thể thay đổi theo Người làm công tác điều độ thực hiện việc điều

Để giải quyết vấn đề này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission Systems) đã được tiến hành nhằm nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền tải và nâng cao khả năng ổn định của HTĐ Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép điều khiển bù CSPK gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện áp một cách nhanh chóng Các thiết bị FACTS

có khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của HTĐ Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điều khiển khác nhau và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công suất

Các thiết bị FACTS bao gồm:

ƒ Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng Thyristor Công suất đầu ra của SVC có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung nhằm duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của HTĐ (điển hình là điện áp nút);

ƒ Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): thiết bị bù dọc được điều khiển thyristor TCSC là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung kháng, có chứa 1 bộ các tụ điện nối tiếp và bộ này song song với kháng điện điều khiển bằng thyristor (TCR) nhằm cung cấp điện dung có thể điều chỉnh trơn;

ƒ Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): Bộ tụ bù đồng bộ tĩnh Với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, điện áp đầu ra xoay chiều của

nó được điều khiển sao cho chỉ phù hợp cho dòng CSPK theo yêu cầu tương ứng với điện áp nút bất kỳ nào đó, điện áp tụ điện 1 chiều sẽ

được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động như nguồn áp cho

bộ chuyển đổi điện STATCOM có thể được thiết kế để cũng hoạt động được như 1 bộ lọc để lọc các sóng hài;

ƒ Unified Power Flow Control (UPFC): thiết bị điều khiển dòng công suất, có khả năng điều khiển để cung cấp bù CSPK và tác dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài

Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào HTĐ là nâng cao độ tin cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS được lắp đặt tại vị trí phù hợp, thì giới hạn công suất truyền tải của hệ thống tăng lên đáng kể Hơn nữa, các thiết bị FACTS còn tỏ ra có hiệu quả trong việc ngăn ngừa SĐĐA

Nhìn chung, các thiết bị FACTS này có tác dụng:

ƒ Điều khiển điện áp tại nút đặt thiết bị FACTS để ổn định điện áp, nhờ

đó chất lượng điện áp được nâng cao;

ƒ Điều khiển công suất tác dụng, phản kháng tại nút được đặt thiết bị;

ƒ Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố (ngắn mạch, mất tải đột ngột );

ƒ Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ;

ƒ Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống;

ƒ Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột ;

ƒ Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh;

ƒ Giảm tổn thất công suất và điện năng

Tùy theo yêu cầu trong từng HTĐ cụ thể như yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây, tùy vào chế độ vận hành mà ta lựa chọn các thiết bị một cách hợp lý.[8], [10]

1.6 Kết luận

Nội dung của chương 1 quan tâm tới các vấn đề liên quan tới OĐĐA bao gồm: các khái niệm cơ bản về ổn định, phân tích các nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp, phân tích hậu quả của mất ổn định điện áp trong đó sụp đổ điện áp là một trong những sự cố nặng nề nhất Cuối cùng đưa ra các biện pháp ngăn ngừa SĐĐA

Trong các biện pháp vận hành và thiết kết ngăn ngừa mất OĐĐA đề cập thì việc sử dụng các thiết bị truyền tải điện xoay chiều FACTS được xem là phương pháp hiện đại đem lại hiệu quả cao và nhanh chóng

SVC là một trong những thiết bị FACTS đầu tiên được phát triển với hiệu quả nổi bật là điều khiển nhanh CSPK Do đó, luận văn tập trung vào nghiên cứu nguyên lý hoạt động và hiệu quả của SVC để nâng cao OĐĐA của HTĐ Tuy nhiên, giá thành của SVC rất đắt tiền, nên vấn đề đặt ra là phải xác định được vị trí đặt phù hợp của SVC trong hệ thống để đạt được hiệu quả kỹ thuật tốt nhất và không làm chi phí đầu tư tăng quá lớn

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC

SVC (Static Var Compensator): là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu

thụ CSPK bằng cách điều chỉnh góc mở thyristor Trong trường hợp chung, SVC được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản:

ƒ TCR - Thyristor Controlled Reactor: cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor

Điện kháng của nó thay đổi bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor

ƒ TSR-Thyristor Switched Reactor: cuộn kháng đóng cắt nhanh bằng thyristor

ƒ TSC - Thyristor Switched Capacitor: tụ điện đóng cắt nhanh bằng thyristor

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR và TSR

2.1.1 Cấu tạo

TCR bao gồm điện kháng cố định có điện cảm L (thường là lõi không khí)

và van thyristor 2 chiều (hoặc khóa đóng mở) Hiện nay, các thyristor lớn có thể chặn điện áp lên tới 4 - 9kV và dòng điện lên tới 3 - 6kA Vì thế, trong các ứng dụng thực tế, rất nhiều các thyristor được nối tiếp với nhau để đạt mức điện áp theo yêu cầu với công suất cho trước[11]

2.1.2.Nguyên lý hoạt động

Một van thyristor có thể dẫn dòng bằng cách cho xung điều khiển tới tất cả các thyristor mắc cùng cực Van sẽ tự động khóa tức thời sau khi dòng AC qua nó bằng 0, trừ khi tín hiệu mở lại được đưa vào

Dòng điện trong điện kháng có thể được điều khiển từ giá trị lớn nhất (thyristor đóng) tới 0 (thyristor mở) bằng cách điều khiển góc đánh lửa (góc mở) Nghĩa là, việc đóng thyristor bị trễ lại so với đỉnh của điện áp đưa vào trong mỗi nửa chu kỳ và vì thế điều khiển được khoảng thời gian dẫn dòng Phương pháp điều khiển dòng được minh họa riêng cho nửa chu kỳ âm và dương của dòng điện trên hình 2.2, điện áp V và dòng điện cảm iL(α) khi góc trễ là 0 (khóa hoàn toàn đóng)

và khi góc trễ α bất kỳ

Hình 2.2: a Cấu tạo của TCR, b Điều khiển góc đánh lửa, c Dạng sóng vận hành

Khi α =0, van sw đóng ở đỉnh của điện áp và kết quả là dòng điện trong điện kháng sẽ giống như ở trạng thái xác lập với khóa đóng vĩnh viễn Khi việc đóng mở

van bị trễ góc α (

2

0≤α≤ π

) tương ứng với đỉnh của điện áp, dòng điện trong điện

kháng có thể được biểu diễn như sau: với v(t) =Vcosωt thì

)sint(sinL

Vdt)t(vL

1)t(i

Trong (2.1), thành phần (V/ωL)sinα là thành phần không đổi, phụ thuộc vào

α mà dòng điện hình sin khi α = 0 Vì van tự động cắt khi dòng điện qua giá trị 0 (với điện kháng không có tổn thất, đối xứng trên trục thời gian so với thời điểm mở qua đỉnh của dòng điện), quá trình này điều chỉnh khoảng thời gian dẫn dòng của thyristor Điều đó có nghĩa là góc trễ α xác định góc dẫn dòng σ (σ = π-2α) Vì thế, khi góc trễ α tăng, kết quả bù tăng tương ứng và góc dẫn σ của thyristor giảm Khi góc trễ α = π/2, khả năng bù đạt giá trị lớn nhất là V/ωL, và khi đó cả góc dẫn dòng

và dòng điện qua điện kháng đều bằng 0

Rõ ràng, biên độ của dòng điện trong điện kháng có thể thay đổi liên tục bằng cách điều khiển góc trễ từ giá trị lớn nhất khi α =0 và nhỏ nhất bằng 0 khi α = π/2 Tuy nhiên, việc điều chỉnh dòng điện trong điện kháng chỉ diễn ra 1 lần trong mỗi nửa chu kỳ, trong khoảng thời gian từ 0 đến π/2 (khoảng thời gian đánh lửa)

Biên độ ILF(α) của thành phần dòng điện cơ bản iLF(α) được biểu thị như sau:

)2sin121(L

V)(

π

−απ

−ω

=

trong đó: V là biên độ của điện áp nguồn, L là điện cảm của điện kháng điều khiển bằng thyristor, ω là tần số góc của điện áp nguồn

TCR có thể điều chỉnh dòng điện cơ bản liên tục từ 0 (khi van mở) đến giá trị lớn nhất (khi van đóng) như một điện dẫn cảm kháng có thể thay đổi giá trị Vì thế, điện dẫn cảm kháng hiệu dụng của TCR được xác định từ công thức (2.2) như sau:

)2sin121(L

1)(

π

−απ

−ω

=

Ý nghĩa của (2.3) là với mỗi góc trễ α, điện dẫn BL(α) được định nghĩa, nó xác định biên độ của thành phần dòng điện cơ bản ILF(α) trong TCR ở 1 điện áp nguồn cho trước Trong ứng dụng thực tế, biên độ lớn nhất của điện áp nguồn và của dòng điện bị giới hạn bởi giá trị định mức của công suất mà các thành phần (điện kháng, van thyristor) đã sử dụng Vì thế, TCR trong thực tế có thể vận hành ở bất cứ điểm nào trong vùng V-I xác định, đường biên của nó xác định bằng điện dẫn lớn nhất có thể đạt được, điện áp và dòng điện định mức (hình 2.4)

Hình 2.4: Đặc tính V-I của TCR

Giới hạn của TCR được thiết lập khi thiết kế từ yêu cầu vận hành thực tế Nếu khóa TCR bị giới hạn ở góc trễ cố định, thường α = 0 thì nó sẽ trở thành TSR TSR tạo ra 1 điện dẫn cảm kháng cố định nên khi được nối với hệ thống AC, dòng điện chạy qua nó sẽ tỉ lệ với điện áp nguồn Một vài TSR có thể tạo ra điện dẫn điều chỉnh được gián đoạn theo bậc Nếu TSR vận hành ở α = 0, dòng điện xác lập có dạng hình sin

2.1.3 Các hiệu ứng phụ

Điều khiển góc dẫn dòng (đặc tính vận hành của TCR) dẫn đến kết quả là dạng sóng của dòng điện không còn là hình sin Nói cách khác, ngoài thành phần cơ bản, TCR còn sinh ra các sóng hài Trong nửa chu kỳ dòng điện dương, âm xác định, chỉ có các sóng hài bậc lẻ mới được tạo ra

Trong hệ thống 3 pha, người ta sử dụng 3 bộ TCR 1 pha và nối tam giác Trong điều kiện cân bằng, dòng điện hài với bậc là bội của 3 chạy quẩn trong bộ TCR nối tam giác và không đi vào hệ thống điện

Việc tiêu hủy các sóng hài khác có thể thực hiện bằng cách sử dụng 3 hay nhiều hơn nữa các TCR nối tam giác từ các tổ đấu dây phù hợp Tuy nhiên, trong thực tế, việc sắp xếp mạch 18 xung hoặc nhiều hơn rất phức tạp và đắt Nó cũng khó đáp ứng yêu cầu về tính đối xứng, vì khó cân bằng điện áp trong hệ thống ac, nhằm giảm biên độ của các thành phần hài bậc cao Vì lý do này, các cấu hình mạch nhiều hơn 12 xung ít được sử dụng Nếu TCR tạo ra các sóng hài không thể giảm đáng kể bằng cách trên, để đạt được yêu cầu kỹ thuật về kinh tế hoặc các lý do thực

TSC 1 pha bao gồm 1 tụ điện, 1 bộ van thyristor 2 chiều và 1 điện kháng tương đối nhỏ để chặn dòng điện xung kích trong các điều kiện vận hành không bình thường hoặc sử dụng để tránh hiện tượng cộng hưởng với điện kháng hệ thống xoay chiều ở tần số cụ thể nào đó[11]

2.2.2 Đặc tính điều chỉnh

Ở chế độ xác lập, khi thyristor đóng và TSC được nối với nguồn áp xoay

1n

nV)t(

2

ωω

n

2 0

i,

Tụ điện không được nối sẽ giữ điện áp ở mức này và dẫn đến điện áp qua thyristor không dẫn dòng thay đổi từ 0 lên đến giá trị biên độ dao động kép (peak to peak) của điện áp nguồn Nếu điện áp của tụ khi bị ngắt vẫn không đổi, TSC có thể đóng lại mà không có quá trình quá độ, tại giá trị đỉnh phù hợp của điện áp nguồn

Hình 2.6: Quá trình đóng cắt không có quá trình quá độ của TSC

Thông thường, các bản tụ điện bị phóng điện sau khi bị ngắt ra khỏi nguồn,

vì thế việc nối lại các tụ điện này sẽ phải thực hiện với phần điện áp dư trên tụ nằm

trong khoảng giữa giá trị 0 và giá trị lớn nhất của tụ V

1n

n

2 0

Hình 2.7: Đặc tính V-I của TSC

Những điều kiện để đóng tụ điện “không quá độ”:

ƒ Nếu điện áp dư trên tụ điện thấp hơn đỉnh điện áp ac (Vc<V) thì thời điểm tốt để đóng là khi điện áp ac tức thời cân bằng với điện áp của tụ điện

ƒ Nếu điện áp dư trên tụ điện bằng hoặc lớn hơn giá trị cực đại của điện áp nguồn (Vc> V) thì thời điểm đóng sẽ là khi điện áp nguồn đạt cực đại, khi

đó điện áp van thyristor là nhỏ nhất

Từ các phân tích trên ta thấy, góc trễ lớn nhất để đóng các bản tụ là cả chu kỳ

của điện áp nguồn, nghĩa là khoảng thời gian từ đỉnh dương (hoặc âm) đến đỉnh

dương (hoặc âm) tiếp theo Việc đóng tụ điện chỉ diễn ra ở thời điểm cụ thể trong

mỗi chu kỳ mà các điều kiện để quá trình quá độ diễn ra đỡ phức tạp nhất Nói cách

khác, điều khiển góc trế đánh lửa không áp dụng đối với tụ điện Vì lý do này mà

TSC chỉ có thể cung cấp sự thay đổi theo bậc dòng điện cảm (giá trị lớn nhất hoặc

0) Nói cách khác, nhánh TSC biểu thị cho 1 điện dung hoặc là nối hoặc là ngắt ra

khỏi hệ thống Dòng điện trong nhánh TSC thay đổi tuyến tính với điện áp nguồn

tùy thuộc vào điện dung của tụ điện Điện áp nguồn lớn nhất và dòng điện tương

ứng bị giới hạn bởi định mức của các thành phần TSC (tụ điện và van thyristor)

Để xấp xỉ sự thay đổi dòng điện, người ta thường sử dụng một vài TSC song song

nhau (làm tăng điện dung bậc), hoặc phối hợp với 1 nhánh TCR.[8], [11]

2.3 Thiết bị bù ngang SVC

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Đối với 1 dải công suất dung kháng tính đầu ra cho trước, thông thường SVC

bao gồm n nhánh TSC và 1 nhánh TCR Số nhánh TSC xác định dựa vào mức điện

áp vận hành, công suất đầu ra lớn nhất, dòng điện định mức của van thyristors, chi

phí lắp đặt và vận hành thanh góp Dải cảm kháng cũng được mở rộng đến 1 giá trị

định mức lớn nhất bằng cách thêm các nhánh TCR

Hoạt động của SVC[8] được minh họa trên hình 2.8 và được mô tả như sau:

Dải công suất dung kháng tính đầu ra bị chia thành n khoảng Ở khoảng đầu tiên,

đầu ra của bộ phát được điều chỉnh từ 0 đến Qcmax/n, với Qcmax là tổng công suất do

tất cả các nhánh TSC cung cấp Trong khoảng này, 1 tụ điện được đóng vào (bằng

cách đánh lửa, ví dụ van thyristor sw1) và đồng thời dòng điện trong TCR được

thiết lập bởi góc trễ đánh lửa phù hợp mà tổng đầu ra của TSC (âm) và đầu ra của

TCR (dương) cân bằng với công suất đầu ra dung kháng yêu cầu Ở các khoảng thứ

2, 3, và thứ n, công suất đầu ra được điều chỉnh trong khoảng Qcmax/n tới 2Qcmax/n,

2Qcmax/n tới 3Qcmax/n, và (n-1)Qcmax/n tới Qcmax bằng việc đóng khóa tụ thứ 2, 3,

và n và sử dụng TCR để tiêu thụ công suất dung kháng thừa

Hình 2.8: Cấu tạo SVC và đặc tính công suất theo yêu cầu so với công suất ra

Nhờ khả năng đóng/cắt tụ khỏi mạch điện trong 1 chu kỳ của điện áp AC của nguồn, giá trị công suất dung kháng dư thừa lớn nhất trong tổng công suất đầu ra

có thể được giới hạn tới giá trị công suất do 1 tụ sinh ra Do đó, định mức của TCR nên giống TSC về mặt lý thuyết Tuy nhiên, để đảm bảo tình trạng đóng cắt ở cuối mỗi khoảng không rơi vào trạng thái không xác định thì định mức của TCR cần lớn hơn của TSC để đủ xếp chồng (hiện tượng trễ) giữa mức đóng và cắt Ta có thể thấy

là dung kháng đầu ra Qc thay đổi bậc thang và công suất đầu ra cảm kháng tương đối nhỏ của TCR QL được dùng để tiêu thụ công suất dư thừa trên tụ

2.3.2 Các thành phần điều khiển của SVC

Sơ đồ khối điều khiển chức năng của SVC[11] được chỉ trên hình 2.10

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC

Bộ điều khiển của SVC có chức năng:

ƒ Xác định số lượng nhánh TSC cần dùng để xấp xỉ dòng điện đầu ra cảm kháng theo yêu cầu (độ dư thừa dương), và tính toán biên độ của dòng điện cảm cần để triệt tiêu dòng điện dung dư thừa;

ƒ Điều khiển đóng cắt các nhánh TSC mà không có quá độ;

ƒ Thay đổi dòng điện trong TCR bằng cách điều khiển góc trễ đánh lửa

Khối đo lường (Measurement System)

Hệ thống đo lường cung cấp các tín hiệu đầu vào cần thiết cho bộ điều khiển SVC Các tín hiệu đo phụ thuộc vào các chức năng và mục đích khi sử dụng SVC

Điều khiển điện áp dựa trên điều khiển cân bằng 3 pha của SVC :

a Điện áp trung bình/hiệu dụng 3 pha chỉnh lưu:

e Công suất phản kháng pha

Điều khiển phụ để tăng cường khả năng chống rung của hệ thống:

a Dòng điện trên đường dây truyền tải

b Góc pha của nút

c Tần số nút

d Vận tốc góc hoặc năng lượng tăng tốc của máy phát đồng bộ

Khối điều chỉnh điện áp

Khối điều chỉnh điện áp SVC xử lý các biến hệ thống và tạo ra các tín hiệu đầu ra tỉ lệ với công suất phản kháng cần bù theo yêu cầu ổn định điện áp Các biến điều khiển và các hàm truyền khác nhau của bộ điều chỉnh điện áp tùy thuộc vào ứng dụng SVC cụ thể

Các biến điều khiển được so sánh với tín hiệu chuẩn Vref và tín hiệu độ lệch

sẽ là đầu vào của các hàm truyền Đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu điện dẫn BRef

làm giảm tín hiệu độ lệch đến giá trị 0 ở chế độ xác lập Tín hiệu điện dẫn này sẽ được truyền tới mạch phát xung

Hình 2.12 là mô hình cơ bản 1 của IEEE, bộ điều chỉnh điện áp kiểu tỉ lệ và khuếch đại Hệ số khuếch đại KR (bằng nghịch đảo của độ dốc dòng điện) nhận giá trị từ 20pu (độ dốc 5%) đến 100pu (độ dốc 1%) Mô hình này được sử dụng trong các nghiên cứu sơ bộ Hằng số thời gian TR nằm trong khoảng 20-150ms, còn T1 và

T2 bằng 0 trong hầu hết các trường hợp Hàm truyền của bộ điều khiển này là:

2

1 R

R S

sT 1

sT 1 sT 1

K G

+

+

× +

Hình 2.12: Mô hình 1 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC

Hình 2.13 là mô hình bộ điều khiển kiểu tích phân hoặc tỉ lệ kết hợp với tích phân và độ dốc KSL có được qua phản hồi dòng điện Việc cài đặt độ dốc và hệ số khuếch đại là độc lập Hằng số thời gian TS (0,01-0,05s) để nâng cao khả năng điều khiển SVC Hệ số tỉ lệ Kp được sử dụng để tăng tốc độ đáp ứng Hàm truyền của bộ điều chỉnh trong mô hình này là:

Q 1

p

1 sTK

T = + Thông thường TP = 0 để bộ điều khiển là loại PI đơn giản

bị cản trở vận hành khi có sự cố trầm trọng, theo đúng tần số và góc pha của hệ thống, khả năng tái đồng bộ nhanh chóng khi có sự xuất hiện lại của điện áp hệ thống sau khi sự cố bị loại trừ

Khối phát xung

Đây là khối thực hiện các chức năng của SVC Điện dẫn tại đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp được truyền tới khối phát xung, để tạo ra các xung đánh lửa phù hợp cho các thiết bị đóng mở và điều khiển bằng thyristor của SVC sao cho đạt được điện dẫn yêu cầu tại vị trí lắp đặt SVC Ta lấy tín hiệu đầu vào dùng làm chuẩn so sánh IQRef - đặc trưng cho biên độ của dòng điện ra yêu cầu chia cho IC

(hoặc BQref chia cho BC – điện dẫn của 1 tụ điện) Kết quả được làm tròn cho bộ tích

Khác biệt về biên độ giữa tổng các dòng điện trong các tụ điện ∑I Cn và dòng điện chuẩn dùng để so sánh IQref (hoặc khác biệt về nCBC và BQRef) cho ra 1 giá trị biên

độ ILF của dòng điện thành phần cơ bản theo yêu cầu

Việc đóng cắt TSC cũng theo 2 quy tắc đơn giản để đóng cắt không quá độ

Đó là, khóa tụ khi điện áp thyristor về 0 hoặc khi giá trị này nhỏ nhất (điều kiện thứ nhất có thể đạt được nếu điện áp trên tụ nhỏ hơn giá trị cực đại của điện áp nguồn

ac và trường hợp sau sẽ thỏa mãn ở các giá trị cực đại điện áp nguồn có cùng dấu với điện áp trên tụ) Việc phát xung đánh lửa thực tế cho thyristor trong TSC tương

tự như đối với TCR ngoại trừ việc phải duy trì tính liên tục trong dẫn dòng khi dòng điện được chuyển từ 1 nhánh thyristor đang mang dòng theo 1 chiều (dương) sang nhánh khác mang dòng theo chiều ngược lại (âm)

2.3.3 Đặc tính làm việc của SVC

Hình 2.14: Đặc tính làm việc của SVC

Ở chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, SVC thường làm nhiệm

vụ tự động điều chỉnh để giữ nguyên điện áp nút Tín hiệu điều khiển là độ lệch

thay đổi trị số của thành phần cơ bản dòng điện đi qua kháng, nhờ đó công suất tiêu thụ (phản kháng) thay đổi Điện áp tăng tác dụng điều chỉnh dòng điện tăng, công suất phản kháng tiêu thụ lớn hơn, hạ thấp điện áp nút Khi điện áp bị giảm thấp, dòng điện qua kháng giảm, SVC giảm công suất tiêu thụ (hoặc phát lên hệ thống khi điện kháng đẳng trị có tính dung), nhờ đó nâng cao điện áp

Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp có dạng như trên hình 2.14 Trường hợp a) SVC chỉ có tính cảm, trường hợp b) thiết bị SVC có cả tính dung và tính cảm, công suất phản kháng có thể tiêu thụ hoặc phát lên hệ thống Tín hiệu điều khiển SVC có thể nhận từ BU phía cao áp hoặc hạ áp của máy biến thế

Trong phạm vi thay đổi được công suất (phạm vi của TCR) điện áp nút được giữ ở trị số đặt U0 Thực tế, với mục đích phối hợp điều chỉnh, người ta chế tạo SVC có đặc tính làm việc mềm (hình 2.15) Khi đó trong phạm vi điều chỉnh được của công suất, điện áp nút được phép dao động với độ lệch ∆U

Hình 2.15 Đặc tính làm việc mềm của SVC

Nhờ độ nghiêng của đặc tính trong phạm vi điều chỉnh, có thể phân bố công suất cho các SVC làm việc song song hoặc làm việc cùng với các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng khác

2.3.4 Đặc tính điều chỉnh của SVC

Đặc tính điều chỉnh của SVC có thể xây dựng được dựa vào nguyên lý làm việc của Thyristor Trên hình 2.16 mô tả đơn giản sơ đồ và hoạt động của Thyristor Thyristor hoạt động tương tự như chỉnh lưu, tuy nhiên ngoài điều kiện điện áp (đặt

lên bản thân thyristor) thuật chiều, còn yêu cầu có một xung điện áp đặt lên cực điều khiển Xung có thể không kéo dài mà thyristor vẫn mở cho đến khi điều kiện thuận chiều điện áp không còn nữa Sang chu kỳ mới, điện áp thuận chiều nhưng mạch cũng chỉ mở khi có tín hiệu điều khiển xung Rõ ràng thay đổi thời điểm phát xung ở mỗi chu kỳ, có thể thay đổi được dạng của đường cong dòng điện Nếu coi thành phần cơ bản của dòng điện lầ thành phần làm việc, thì biên độ của thành phần này thay đổi theo góc mở của Thyristor

Khi Thyristor mở hoàn toàn (góc cắt α = 0) biên độ thành phần cơ bản sẽ lớn nhất (bằng dòng ban đầu) Khi α = 180o, dòng qua mạch = 0 Khi thay đổi đột ngột

từ α=0 đến α = 180o ta nhận được trạng thái đóng cắt mạch của TSR và TSC Trong mạch có điện cảm, quan hệ giữa điện áp ngoài và dòng điện trong mạch có phức tạp hơn, nhưng nguyên lý làm việc của Thyristor không có gì thay đổi

Hình 2.16: Sóng của điện áp đầu ra của mạch thuần trở có thyristor

Trên hình 2.17 biểu diễn quá trình điều chỉnh dòng điện trong TCR bằng cách thay đổi góc cắt α của Thyristor

Hình 2.17: Ảnh hưởng của góc cắt α đến dòng điện của thyristor

Đặc tính điều chỉnh của SVC được coi là quan hệ giữa biên độ của thành phần cơ bản của dòng điên với góc cắt α Đặc tính có thể nhận được dễ dàng bằng cách phân tích dòng điện toàn phần thành chuỗi Fourier

Nếu hàm f(t) xác định bởi

f(t) = a0/2 + ∑(akcoskωt + bksinkωt) (2.7) trong đó: ω = 2π/T, a0: thành phân một chiều (bậc 0), Ck = √ (ak2 + bk2) – biên độ thành phần bậc k (k = 1 ta có thành phần cơ bản)

Theo công thức toán học quen thuộc có thể xác định được:

τωττ

=

τωττ

2b

dkcos)(fT

2a

2 / T

2 / T k

2 / T

2 / T k

k = 0, 1, 2 (2.8)

Với dòng điện đi trong TCR, tần số công nghiệp ω = 2πf ta có hàm chu kỳ T

= 1/f Đổi biến α = 2πt/T ta có hàm chu kỳ 2π biểu diễn được như sau (xét nửa chu

kỳ phía dương)

2a

0d)(

2a

k 0 k

0 0

=

=ααα

π

=

=ααπ

=

∫

∫

π π

(2.10)

Dễ chứng minh được rằng khi k chẵn thì cả thành phần ak cũng triệt tiêu, chỉ

có các thành phần ak với k lẻ Khi k = 1 ta xác định được

=

22

sin2

12

2I

Trong mạch có điện cảm, điện áp u và dòng điện I lệch pha nhau góc π/2, người ta thường xác định góc điều khiển theo tín hiệu điện áp, nghĩa là tính với góc α = ξ0 + π/2 với 90o ≤ α0 ≤ 180o

2.I

−

−π

k

2)1ksin(

1k

1)

1ksin(

1k

12.I

=α

ϕ1 0 0 sin2 0

2

1)(

2)(

π

α+

α

−π

(2.14)

Hình 2.18: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR theo góc cắt α

Có thể thấy rằng biên độ của các thành phần bậc cao xuất hiện không lớn Giá trị xuất hiện lớn nhất của thành phần bậc 3 cũng chỉ dưới 15% Im (triệt tiêu nhờ các bộ lọc) Dòng điện có tần số cơ bản chính là dòng điện làm việc của TCR

Xét quan hệ điều chỉnh thông số điện kháng và công suất của TCR Ta có

= với xkmin là điện kháng của TCR ứng với góc cắt α = 90o( mở hoàn

toàn) Theo kết quả nhận được ở trên ta có thể biểu diễn được biên độ của thành phần cơ bản theo góc cắt α

Cách viết cuối cùng (2.15) cho phép hiểu TCR như là cuộn kháng có trị số

thay đổi được:

( )

k min k

thay đổi liên tục trị số từ xkmin đến ∞

Trong thực tế, SVC được cấu tạo từ tổ hợp TCR với TSR và TSC nên xk thay đổi trong phạm vi xác định Khi xk thay đổi, công suất tiêu thụ trên SVC cũng thay

đổi theo vì Qk = U2/xk Nếu SVC có trị số điện kháng thay đổi hữu hạn từ xkmin đến

xkmax thì công suất tiêu thụ thay đổi từ Qkmax đến Qkmin

2.3.5 Mô hình SVC

SVC được mô hình hoá như một điện kháng có trị số thay đổi Áp dụng đối với nhiều chương trình tính toán là phép lặp với thông số được rời rạc hóa Với giả thiết ban đầu của mức điện kháng đẳng trị, quá trình tính toán cho phép xác định điện áp U trên thanh cái trạm (có đặt BU) Nếu điện áp cao hơn trị số đặt, phép lặp làm giảm điện kháng (tăng công suất tiêu thụ), ngược lại khi điện áp thấp hơn trị số đặt, phép lặp làm tăng trị số điện kháng so với trị số trước Phương pháp tính toán như vậy có hiệu quả khi không có nhiều vị trí đặt SVC Trong các trường hợp ngược lại, phép lặp có thể không hội tụ[7]

Một phương pháp khác là mô phỏng SVC theo một tổ hợp của nguồn công suất phản kháng và phụ tải công suất phản kháng cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải Khi đó có thể sử dụng thuật toán thông thường để giải bài toán và do vậy rất thuận tiện khi vẫn sử dụng các phương trình tính chế độ xác lập cũ [7]

Hình 2.19 Đặc tính điều chỉnh của SVC và đặc tính phát CSPK của máy phát